汽车新能源运用技术 教案56.docx
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汽车新能源运用技术教案56
课题
项目三电动汽车用动力电池
任务一概述
任务二铅酸蓄电池
教学
目标
掌握电动汽车电池的分类、性能指标
了解铅酸蓄电池分类、结构、工作原理
教学
重点
新能源汽车的分类
教学
难点
新能源汽车发展的重要性
教学
时间
4课时理论课
教具
准备
无
周次
第8、9周
教学组织与实施
教师活动
学生活动
新课导入：
（5分钟）
1．清点人数，检查着装
2．填写教学日志
3．教学要求
新课讲授：
（150分钟）
一、电动汽车动力电池分类
电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。
1．化学电池
化学电池是利用物质的化学反应发电。
化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。
（1）原电池
原电池又称一次电池，是指电池放电后不能用简单的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池，如锌—二氧化锰干电池、锂锰电池、锌空气电池、一次锌银电池等。
（2）蓄电池
蓄电池又称二次电池，是指电池在放电后可通过充电的方法使活性物质复原而继续使用的电池，而这种充放电可以达数十次到上千次循环。
如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。
（3）燃料电池
燃料电池又称连续电池，是指参加反应的活性物质从电池外部连续不断地输入电池，电池就连续不断地工作而提供电能。
如质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生型燃料电池等。
（4）储备电池
储备电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解液或者使用其它方法使电液与正负极接触，此后电池进入待放电状态，如镁电池、热电池等。
化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。
化学电池按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。
化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等。
2．物理电池
物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。
如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。
3．生物电池
生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。
二、电动汽车用动力电池的性能指标
电池作为电动汽车的储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用，要评定电池的实际效应，主要就是看电池的性能指标。
电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。
1．电压
电压分为端电压、开路电压、额定电压、放电电压和终止电压等。
（1）端电压
电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差。
（2）开路电压
电池在开路状态下的端电压称为开路电压，即电池在没有负载情况下的端电压。
电池的开路电压等于电池正极的电极电势与负极电极电势之差。
（3）电动势
电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电位之差。
（4）额定电压
额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。
（5）放电电压
电池的工作电压是指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。
在电池放电初始的工作电压称为初始电压。
（6）终止电压
终止电压是指电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。
当电池的电压下降到终止电压后，再继续使用电池放电，化学“活性物质”会遭到破坏，减少电池寿命。
2．容量
电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。
常用单位为安培小时（Ah），它等于放电电流与放电时间的乘积。
电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。
（1）理论容量
理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。
为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/l或Ah/kg。
（2）实际容量
实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。
它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。
（3）标称容量
标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。
（4）额定容量
额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
（5）荷电状态
荷电状态（SOC）是电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。
反映电池容量的变化。
SOC=1即表示电池充满状态。
随着电池的放电，电池的电荷逐渐减少，此时电池的充电状态，可以用SOC的百分数的相对量来表示电池中电荷的变化状态。
一般电池放电高效率区为50%~80%SOC。
3．内阻
电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。
由于电池内阻作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。
充电时端电压高于电动势和开路电压。
4．能量
电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位是W·h或kW·h。
它影响电动汽车的行驶距离。
（1）理论能量
理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量。
（2）实际能量
实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量。
（3）比能量
比能量是指电池单位质量所能输出的电能，单位是Wh/kg。
常用比能量来比较不同的电池系统。
比能量有理论比能量和实际比能量之分。
理论比能量是指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量是指1kg电池反应物质所能输出的实际能量。
由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。
电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。
电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。
（4）能量密度
能量密度是指电池单位体积所能输出的电能，单位是Wh/L。
5．功率
电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。
电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。
（1）比功率
单位质量电池所能输出的功率称为比功率，单位为W/kg或kW/kg。
（2）功率密度
单位体积电池所能输出的功率称为功率密度，单位为W/l或kW/l。
6．输出效率
动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把电能释放出来。
在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。
通常用电池的容量效率和能量效率来表示。
（1）容量效率
容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，即
式中，为电池的容量效率；为电池放电时输出的容量；为电池充电时输入的容量。
（2）能量效率
能量效率也称电能效率，是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，即
式中，为电池的能量效率；为电池放电时输出的能量；为电池充电时输入的能量。
7．自放电率
自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。
自放电率用单位时间容量降低的百分数表示，其表达式为
式中，为电池存储前的容量（Ah）；为电池存储后的容量（Ah）；为电池存储的时间，常用天、月计算。
8．放电速率（放电率）
放电速率一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。
（1）时率（时间率）
电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过的放电时间。
汽车用电池一般用20h率容量表示。
（2）倍率（电流率）
电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。
9．使用寿命
使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。
电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。
电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。
使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。
使用周期是指电池可供重复使用的次数。
除此之外，成本也是一个重要的指标。
电动汽车发展的瓶颈之一就是电池价格高。
电动汽车对动力电池的要求主要有：
（1）比能量高
为了提高电动汽车的续驶里程，要求电动汽车上的动力电池尽可能储存多的能量，但电动汽车又不能太重，其安装电池的空间也有限，这就要求电池具有高的比能量；
（2）比功率大
为了能使电动汽车在加速行驶、爬坡能力和负载行驶等方面能与燃油汽车相竞争，就要求电池具有高的比功率；
1991年，美国先进电池开发联合体（USABC）对电动汽车用动力电池制定的开发目标
三、铅酸蓄电池的发展动态
铅酸蓄电池自1859年发明以来，其使用和发展已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。
电动汽车用铅酸蓄电池要用于给电动汽车提供动力，它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用寿命。
作为电动汽车动力电源的铅酸蓄电池在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面不能很好满足电动汽车的要求，为了解决电动汽车用铅酸蓄电池的这三大技术难题，国际铅锌组织（ILZO）于1992年联合62家世界著名铅酸蓄电池厂家成立了先进铅酸蓄电池研制联盟（ALABC），共同研制电动汽车用铅酸蓄电池。
ALABC开发的铅酸蓄电池各项性能均取得了明显的提高。
日本GS公司生产的SER60电池比能量为34Wh/kg，能量密度为91Wh/L，比功率为300W/kg（50%DOD）；日本松下公司生产的动力型铅酸蓄电池循环寿命已突破1000次（80%DOD）；汤浅公司的动力型密封铅酸蓄电池比能量已超过40Wh/kg。
美国BPC公司和Trojon公司开发的双极性密封铅蓄电池，正负极位于同一片导体的两侧面，用吸液式纤维隔板贮存电解液组成密封电池。
其额定电压为180V，容量为60Ah，比能量≥50Wh/kg，峰值比功率>700W/kg，循环寿命≥1000次，预计使用寿命10年。
国内研制开发的电动汽车用水平极板铅酸蓄电池已经达到了以下性能指标：
3h率比能量45Wh/kg，10min持续比功率80W/kg，快速充电性能4~5h100%充电,15~20min70%充电，80%DOD寿命600次。
铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面均比镍氢电池、锂离子电池差，不适合于电动轿车。
但由于其价格低廉，国内外将它的应用定位在速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的车辆。
四、铅酸蓄电池的分类与结构
1．铅酸蓄电池的分类
铅酸蓄电池分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。
（1）免维护铅酸蓄电池
免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。
它具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。
使用寿命一般为普通铅酸蓄电池的两倍。
市场上的免维护铅酸蓄电池也有两种：
1）在购买时一次性加电解液以后使用中不需要添加补充液；
2）电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。
（2）阀控密封式铅酸蓄电池
阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有溢气阀（也叫安全阀），该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。
阀控密封式铅酸蓄电池分为AGM和GEL（胶体）电池两种：
1）AGM采用吸附式玻璃纤维棉（AbsorbedGlassMat）作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作；
2）胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。
无特殊说明，皆指AGM电池。
电动汽车使用的动力电池一般是阀控密封式铅酸蓄电池。
五、铅酸蓄电池的结构
铅酸蓄电池由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。
极板是铅酸蓄电池的核心部件，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状纯铅。
隔板是隔离正、负极板，防止短路；作为电解液的载体，能够吸收大量的电解液，起动促进离子良好扩散的作用；它还是正极板产生的氧气到达负极板的“通道”，以顺利建立氧循环，减少水的损失。
电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成，主要作用是参与电化学反应，是铅酸蓄电池的活性物质之一。
电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反应，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。
溢气阀位于电池顶部，起动安全、密封、防爆等作用。
六、铅酸蓄电池的特点
1．铅酸蓄电池的优点
（1）除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为2.0V；
（2）价格低廉；
（3）可制成小至lAh大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池；
（4）高倍率放电性能良好，可用于引擎启动；
（5）高低温性能良好，可在-40~60℃条件下工作；
（6）电能效率高达60%；
（7）易于浮充使用，没有“记忆”效应；
（8）易于识别荷电状态。
2．铅酸蓄电池的缺点
（1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电行驶里程短；
（2）使用寿命短，使用成本高；
（3）充电时间长；
（4）铅是重金属，存在污染。
七、铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。
在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫做充电。
铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为
充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充电电解，阴极的还原反应为
阳极的氧化反应为
充电时的总反应为
随着电流的通过，
在阴极上变成蓬松的金属铅，在阳极上变成黑褐色的二氧化铅，溶液中有
生成
小结：
（3分钟）
本节课我们主要学习电动汽车电池的分类、性能指标、铅酸蓄电池分类、结构、工作原理。
作业：
（2分钟）
铅酸蓄电池的特点？
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
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板书设计
教学随记
项目三电动汽车用动力电池
任务一概述
任务二铅酸蓄电池
一、电动汽车动力电池分类
二、电动汽车用动力电池的性能指标
三、铅酸蓄电池的发展动态
四、铅酸蓄电池的分类与结构
五、铅酸蓄电池的结构
六、铅酸蓄电池的特点
七、铅酸蓄电池的工作原理
学生基本掌握电动汽车电池的分类、性能指标、铅酸蓄电池分类、结构、工作原理。
课题
项目三电动汽车用动力电池
任务三镍氢电池
教学
目标
了解镍氢电池的发展动态
掌握镍氢电池的分类、结构、特点、工作原理
教学
重点
镍氢电池的分类、结构、特点
教学
难点
镍氢电池的工作原理
教学
时间
4课时理论课
教具
准备
无
周次
第9周
教学组织与实施
教师活动
学生活动
新课导入：
（5分钟）
1．清点人数，检查着装
2．填写教学日志
3．教学要求
新课讲授：
（150分钟）
一、镍氢电池的发展动态
镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池。
它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成，是一种碱性蓄电池。
镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染，被誉为“绿色电源”。
松下EV电池公司早在1997年就开始生产混合动力汽车用的圆型6.5Ah的镍氢电池组，其质量比功率600W/kg。
三洋电机株式会社生产的圆柱型5.5Ah的镍氢电池组，质量比功率1000W/kg。
2001年为Escape配备，后来为本田Accord采用。
美国的Cobasys公司的电池技术源于世界著名的镍氢电池研究单位Ovonic公司。
该公司开发了容量为12～60Ah的一系列高功率镍氢电池。
质量比功率达到550~600W/kg，体积比功率达到1200～1400W/l，峰值比功率可达1000W/kg，比能量在50~70Wh/kg，使用温度在60℃时能量效率仍保持在80~90%，充电功率也超过500W/kg。
我国镍氢电池的技术正日趋成熟。
在动力镍氢电池方面，我国也有很多单位一直从事混合动力汽车用镍氢电池的研究，中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究和开发，北京有色总院、中山电池公司、湖南神舟科技、春兰集团、鞍山三普等单位均从不同角度做过大量积极有益的工作，取得了很大的进展。
二、镍氢电池的分类与结构
1．镍氢电池的分类
按照外形，镍氢电池可以分为
（1）方形镍氢电池；
（2）圆形镍氢电池。
2．镍氢电池的结构
镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。
镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电池。
在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。
三、镍氢电池的特点
镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。
与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点：
（1）比功率高
（2）循环次数多
（3）无污染
（4）耐过充过放
（5）无记忆效应
（6）使用温度范围宽
（7）短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象
四、镍氢电池的工作原理
镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。
镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液（比如30%的氢氧化钾溶液）组成。
密封一次镍氢电池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。
充电时正、负极的电化学反应为
放电时正、负极的电化学反应为
五、镍氢电池的充放电特性
镍氢电池的充放电特性可以通过对电池进行不同倍率的充放电实验获得。
通常电池在一定电流下进行充电和放电时都是使用曲线来表示电池的端电压和温度随时间的变化，把这些曲线称为电池的特性曲线。
一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量。
例如，额定容量为100Ah的电池用20A放电池时，其放电倍率为0.2C。
1、镍氢电池的充电特性
在充电起始阶段，电池端电压迅速上升，随着时间的延长，电池电压上升减缓，电池的容量与电池的端电压有一定的对应关系，如图
电池在高温情况下充电，虽然充电时间较长，但充电效率下降，导致放电容量减少，如图
2、镍氢电池的放电特性
随着放电的进行，总的趋势是随着放电时间的延续电池的端电压不断下降。
放电电流越大电池所能放出的安时量越小，电池的端电压越低，如图
在相应电流下，温度随充电放电过程的变化情况，同时也可以根据充放电电流的大小和时间计算出充放电容量。
虽然常温下延长了充电时间，但在低温情况下，电池放电容量将会下降，如图
六、镍氢电池SOC估计
小结：
（3分钟）
本节课我们主要学习镍氢电池的分类、结构、特点、工作原理
作业：
（2分钟）
镍氢电池的工作原理？
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考、记录
听课、思考
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教学随记
项目三电动汽车用动力电池
任务三镍氢电池
一、镍氢电池的发展动态
二、镍氢电池的分类与结构
三、镍氢电池的特点
四、镍氢电池的工作原理
五、镍氢电池的充放电特性
六、镍氢电池SOC估计
学生基本掌握镍氢电池的分类、结构、特点、工作原理
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